DNA damage-induced acetylation of p53 protein leads to its activation and either growth arrest or apoptosis. We show here that the protein product of the gene hSIR2SIRT1, the human homolog of the S. cerevisiae Sir2 protein known to be involved in cell aging and in the response to DNA damage, binds and deacetylates the p53 protein with a specificity for its C-terminal Lys382 residue, modification of which has been implicated in the activation of p53 as a transcription factor. Expression of wild-type hSir2 in human cells reduces the transcriptional activity of p53. In contrast, expression of a catalytically inactive hSir2 protein potentiates p53-dependent apoptosis and radiosensitivity. We propose that hSir2 is involved in the regulation of p53 function via deacetylation.

The NAD-dependent histone deacetylation of Sir2 connects cellular metabolism with gene silencing as well as aging in yeast. Here, we show that mammalian Sir2α physically interacts with p53 and attenuates p53-mediated functions. Nicotinamide (Vitamin B3) inhibits an NAD-dependent p53 deacetylation induced by Sir2α, and also enhances the p53 acetylation levels in vivo. Furthermore, Sir2α represses p53-dependent apoptosis in response to DNA damage and oxidative stress, whereas expression of a Sir2α point mutant increases the sensitivity of cells in the stress response. Thus, our findings implicate a p53 regulatory pathway mediated by mammalian Sir2α. These results have significant implications regarding an important role for Sir2α in modulating the sensitivity of cells in p53-dependent apoptotic response and the possible effect in cancer therapy.

Summary

 Type 2 diabetes (T2D) has become epidemic in our modern lifestyle, likely due to calorie-rich diets overwhelming our adaptive metabolic pathways. One such pathway is mediated by nicotinamide phosphoribosyltransferase (NAMPT), the rate-limiting enzyme in mammalian NAD⁺ biosynthesis, and the NAD⁺-dependent protein deacetylase SIRT1. Here, we show that NAMPT-mediated NAD⁺ biosynthesis is severely compromised in metabolic organs by high-fat diet (HFD). Strikingly, nicotinamide mononucleotide (NMN), a product of the NAMPT reaction and a key NAD⁺ intermediate, ameliorates glucose intolerance by restoring NAD⁺ levels in HFD-induced T2D mice. NMN also enhances hepatic insulin sensitivity and restores gene expression related to oxidative stress, inflammatory response, and circadian rhythm, partly through SIRT1 activation. Furthermore, NAD⁺ and NAMPT levels show significant decreases in multiple organs during aging, and NMN improves glucose intolerance and lipid profiles in age-induced T2D mice. These findings provide critical insights into a potential nutriceutical intervention against diet- and age-induced T2D.

Circadian Oscillations The 24-hour day-night cycle plays an important role in mammalian physiology and behavior and, as most travelers are well aware, there is an intimate link between our in-built circadian clocks and metabolic rhythms. This link is in part forged by the protein deacetylase SIRT1, which regulates the clock's molecular circuitry. SIRT1 uses as a cofactor the cellular metabolite NAD + , which is synthesized through a salvage pathway that includes the enzyme nicotinamide phosphoribosyltransferase (NAMPT) (see the Perspective by Wijnen ). Ramsey et al. (p. 651 ; published online 19 March) and Nakahata et al. (p. 654 , published online 12 March) now show that NAMPT and NAD + levels oscillate during the daily 24-hour cycle and that this oscillation is regulated by the circadian clock. Furthermore, the oscillations in NAD + modulate the activity of SIRT1 feeding back into the circadian clock.

Recent studies have revealed new roles for NAD and its derivatives in transcriptional regulation. The evolutionarily conserved Sir2 protein family requires NAD for its deacetylase activity and regulates a variety of biological processes, such as stress response, differentiation, metabolism, and aging. Despite its absolute requirement for NAD, the regulation of Sir2 function by NAD biosynthesis pathways is poorly understood in mammals. In this study, we determined the kinetics of the NAD biosynthesis mediated by nicotinamide phosphoribosyltransferase (Nampt) and nicotinamide/nicotinic acid mononucleotide adenylyltransferase (Nmnat), and we examined its effects on the transcriptional regulatory function of the mouse Sir2 ortholog, Sir2α, in mouse fibroblasts. We found that Nampt was the ratelimiting component in this mammalian NAD biosynthesis pathway. Increased dosage of Nampt, but not Nmnat, increased the total cellular NAD level and enhanced the transcriptional regulatory activity of the catalytic domain of Sir2α recruited onto a reporter gene in mouse fibroblasts. Gene expression profiling with oligonucleotide microarrays also demonstrated a significant correlation between the expression profiles of Nampt- and Sir2α-overexpressing cells. These findings suggest that NAD biosynthesis mediated by Nampt regulates the function of Sir2α and thereby plays an important role in controlling various biological events in mammals.

Summary

 Intracellular nicotinamide phosphoribosyltransferase (iNampt) is an essential enzyme in the NAD biosynthetic pathway. An extracellular form of this protein (eNampt) has been reported to act as a cytokine named PBEF or an insulin-mimetic hormone named visfatin, but its physiological relevance remains controversial. Here we show that eNampt does not exert insulin-mimetic effects in vitro or in vivo but rather exhibits robust NAD biosynthetic activity. Haplodeficiency and chemical inhibition of Nampt cause defects in NAD biosynthesis and glucose-stimulated insulin secretion in pancreatic islets in vivo and in vitro. These defects are corrected by administration of nicotinamide mononucleotide (NMN), a product of the Nampt reaction. A high concentration of NMN is present in mouse plasma, and plasma eNampt and NMN levels are reduced in Nampt heterozygous females. Our results demonstrate that Nampt-mediated systemic NAD biosynthesis is critical for β cell function, suggesting a vital framework for the regulation of glucose homeostasis.

The mammalian Sir2 ortholog Sirt1 plays an important role in metabolic regulation. However, the role of Sirt1 in the regulation of aging and longevity is still controversial. Here we demonstrate that brain-specific Sirt1-overexpressing (BRASTO) transgenic mice show significant life span extension in both males and females, and aged BRASTO mice exhibit phenotypes consistent with a delay in aging. These phenotypes are mediated by enhanced neural activity specifically in the dorsomedial and lateral hypothalamic nuclei (DMH and LH, respectively), through increased orexin type 2 receptor (Ox2r) expression. We identified Nk2 homeobox 1 (Nkx2-1) as a partner of Sirt1 that upregulates Ox2r transcription and colocalizes with Sirt1 in the DMH and LH. DMH/LH-specific knockdown of Sirt1, Nkx2-1, or Ox2r and DMH-specific Sirt1 overexpression further support the role of Sirt1/Nkx2-1/Ox2r-mediated signaling for longevity-associated phenotypes. Our findings indicate the importance of DMH/LH-predominant Sirt1 activity in the regulation of aging and longevity in mammals.

NAD+ availability decreases with age and in certain disease conditions. Nicotinamide mononucleotide (NMN), a key NAD+ intermediate, has been shown to enhance NAD+ biosynthesis and ameliorate various pathologies in mouse disease models. In this study, we conducted a 12-month-long NMN administration to regular chow-fed wild-type C57BL/6N mice during their normal aging. Orally administered NMN was quickly utilized to synthesize NAD+ in tissues. Remarkably, NMN effectively mitigates age-associated physiological decline in mice. Without any obvious toxicity or deleterious effects, NMN suppressed age-associated body weight gain, enhanced energy metabolism, promoted physical activity, improved insulin sensitivity and plasma lipid profile, and ameliorated eye function and other pathophysiologies. Consistent with these phenotypes, NMN prevented age-associated gene expression changes in key metabolic organs and enhanced mitochondrial oxidative metabolism and mitonuclear protein imbalance in skeletal muscle. These effects of NMN highlight the preventive and therapeutic potential of NAD+ intermediates as effective anti-aging interventions in humans.

Sir2 NAD-dependent deacetylases connect transcription, metabolism, and aging. Increasing the dosage or activity of Sir2 extends life span in yeast, worms, and flies and promotes fat mobilization and glucose production in mammalian cells. Here we show that increased dosage of Sirt1, the mammalian Sir2 ortholog, in pancreatic β cells improves glucose tolerance and enhances insulin secretion in response to glucose in beta cell-specific Sirt1-overexpressing (BESTO) transgenic mice. This phenotype is maintained as BESTO mice age. Pancreatic perfusion experiments further demonstrate that Sirt1 enhances insulin secretion in response to glucose and KCl. Microarray analyses of β cell lines reveal that Sirt1 regulates genes involved in insulin secretion, including uncoupling protein 2 (Ucp2). Isolated BESTO islets also have reduced Ucp2, increased ATP production, and enhanced insulin secretion during glucose and KCl stimulation. These findings establish the importance of Sirt1 in β cell function in vivo and suggest therapeutic interventions for type 2 diabetes.